抗剝落劑對SBS改性瀝青性能影響研究

葉 坦

(福建省交通建設(shè)試驗檢測中心有限公司,福建 福州 350007)

我國幅員遼闊,不同地區(qū)的氣溫和降水等環(huán)境因素差異較大,在荷載和自然環(huán)境的作用下,瀝青路面會出現(xiàn)各種病害[1-2]。這些道路病害使得道路的使用壽命大幅度縮短,導(dǎo)致道路的使用性能嚴(yán)重降低[3]。為了保障交通運(yùn)輸?shù)耐〞澈偷缆返氖褂脡勖?除了考慮路面結(jié)構(gòu)和施工設(shè)計外,還要注重瀝青路面的高低溫性能和抗水損壞能力[4-6]。

早在19世紀(jì),以美國和歐洲為主的發(fā)達(dá)國家就已經(jīng)開始使用改性瀝青來提高瀝青混合料的高低溫性能。在20世紀(jì)30年代,英國開始大量使用橡膠改性瀝青[7],此外,聚合物改性瀝青也是一種改善瀝青路面性能的有效方法[8-9]。聚合物通常可分為三大類:彈性體、塑性體和反應(yīng)性聚合物,其中苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(SBS)是目前使用最廣泛的彈性體,在瀝青路面抵抗車轍和開裂方面有明顯的效果,但是瀝青與骨料之間的剝落問題依然存在[10],瀝青與骨料之間的黏附性不足會導(dǎo)致路面出現(xiàn)各種病害[11-13]。為解決這一問題,很多學(xué)者通過在瀝青中添加抗剝落劑的方式來提高瀝青綜合性能的同時,并增強(qiáng)瀝青與骨料之間的黏結(jié)作用[14-15]。張恒龍等[16-17]分析了3種不同類型的抗剝落劑(M1,T9和LOF-6500)及其摻量對膠粉改性瀝青流變特性的影響,發(fā)現(xiàn)添加抗剝落劑后膠粉改性瀝青的高溫性能等級并未發(fā)生變化,且抵抗老化的能力有所提升。黃詩洪[18]使用胺類和硅烷類兩種抗剝落劑對橡膠粉改性瀝青進(jìn)行復(fù)合改性,通過測試復(fù)合改性瀝青的高低溫流變特性發(fā)現(xiàn),硅烷類抗剝落劑可以提高橡膠粉改性瀝青的高溫性能。王建文等[19]將抗剝落劑摻入瀝青混合料中,結(jié)果發(fā)現(xiàn),瀝青混合料的路用性能均有所改善,且抗剝落劑還能提高瀝青混合料的疲勞性能。于浩偉等[20]研究了抗剝落劑摻量對瀝青性能的影響,發(fā)現(xiàn)當(dāng)抗剝落劑摻量為3%～4%時,瀝青混合料的綜合性能最優(yōu)。申愛琴等[21]發(fā)現(xiàn)抗剝落劑摻量為0.4%時,對低溫性能的改善效果最佳。

以上研究說明,抗剝落劑能提高瀝青及其混合料的整體性能。因此,本文擬采用兩種抗剝落劑(BWH551和LY型)對瀝青路面上面層常用的SBS改性瀝青進(jìn)行復(fù)合改性,并對復(fù)合改性瀝青的常規(guī)性能和流變性能進(jìn)行對比分析,為抗剝落劑在工程上的運(yùn)用提供理論依據(jù)。

1 材料與試驗方法

1.1 原材料

1.1.1 原樣瀝青

選擇SBS改性瀝青為原樣瀝青,其各項性能指標(biāo)如表1所示。

表1 SBS改性瀝青性能指標(biāo)

1.1.2 抗剝落劑

本研究選取的抗剝落劑有兩種:一種是生物重油類表面活性劑型抗剝落劑,簡稱BWH551型抗剝落劑;另一種是環(huán)保型非胺類瀝青抗剝落劑,簡稱LY型抗剝落劑,兩種抗剝落劑的技術(shù)參數(shù)指標(biāo)如表2所示。

表2 抗剝落劑技術(shù)參數(shù)指標(biāo)

1.2 復(fù)合改性瀝青制備方法

將SBS改性瀝青加熱至170 ℃左右,隨后加入一定摻量的抗剝落劑,用高速剪切機(jī)在剪切速率4 000 r/min、溫度170 ℃條件下剪切30 min,以促進(jìn)抗剝落劑與瀝青均勻混合。剪切完成后將樣品放到150 ℃的烘箱內(nèi)保溫90 min,待發(fā)育完畢后取出。抗剝落劑的摻量為0.2%,0.4%和0.6%。

1.3 試驗方法

本文采取的試驗方法均根據(jù)JTG E20—2011公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程進(jìn)行,其中根據(jù)T 0604—2011,T 0606—2011和T 0606—2011分別進(jìn)行針入度、軟化點和延度試驗,測試復(fù)合改性瀝青的三大指標(biāo);為評價復(fù)合改性瀝青的高溫流變特性,通過T 0628—2011進(jìn)行溫度掃描試驗,測定復(fù)合改性瀝青的復(fù)數(shù)剪切模量、相位角和車轍因子,試驗溫度為52 ℃～82 ℃;根據(jù)T 0627—2011規(guī)定,開展瀝青彎曲蠕變勁度試驗測得復(fù)合改性瀝青的勁度模量和蠕變速率以評價復(fù)合改性瀝青的低溫流變特性,試驗溫度為-12 ℃,-18 ℃和-24 ℃;最后根據(jù)接觸角試驗評價復(fù)合改性瀝青的黏附性能。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 常規(guī)物理性能

各復(fù)合改性瀝青針入度、延度和軟化點試驗結(jié)果如圖1所示,由圖1(a)可知,隨著抗剝落劑摻量的增加,復(fù)合改性瀝青的針入度逐漸增加,且LY型抗剝落劑對SBS改性瀝青針入度影響更大,在相同抗剝落劑摻量下,LY/SBS復(fù)合改性瀝青的針入度大于BWH551/SBS復(fù)合改性瀝青針入度。由圖1(b)可知,BWH551/SBS復(fù)合改性瀝青的延度隨抗剝落劑摻量的增加呈先增加后降低的趨勢,在抗剝落劑摻量為0.4%時延度達(dá)到最大值,而LY/SBS復(fù)合改性瀝青的延度隨抗剝落劑的加入逐漸增大。與針入度規(guī)律類似,在相同抗剝落劑摻量下,LY/SBS復(fù)合改性瀝青的延度大于BWH551/SBS復(fù)合改性瀝青延度。由圖1(c)可知,BWH551/SBS復(fù)合改性瀝青和LY/SBS復(fù)合改性瀝青的軟化點隨抗剝落劑的增加先升高后降低,針對BWH551/SBS復(fù)合改性瀝青,BWH551型抗剝落劑摻量為0.2%時,軟化點最大,而針對LY/SBS復(fù)合改性瀝青,LY型抗剝落劑摻量為0.4%時,軟化點最大,說明BWH551和LY型抗剝落劑摻量分別為0.2%和0.4%時,復(fù)合改性瀝青的高溫性能較好。

2.2 高溫流變性能

溫度掃描試驗可以測定瀝青的動態(tài)剪切模量G*和相位角δ,其中G*代表瀝青在某一溫度下抵抗剪切變形的能力,反映了瀝青的高溫穩(wěn)定性,G*越大高溫穩(wěn)定性越好。δ在一定程度上反映瀝青的特性,瀝青中的黏性成分隨δ的增大而增多,彈性成分隨δ的增大而減小,反之亦然。

1)復(fù)數(shù)剪切模量。抗剝落劑對SBS改性瀝青復(fù)數(shù)剪切模量的影響如圖2所示,從圖2可以發(fā)現(xiàn),隨著溫度的不斷升高,復(fù)合改性瀝青的車轍因子均逐漸降低,這說明溫度越高,復(fù)數(shù)剪切模量越小,瀝青在高溫下抵抗變形的能力逐漸減小。此外,在相同溫度條件下,添加0.2%的BWH551型抗剝落劑使得BWH551/SBS復(fù)合改性瀝青復(fù)數(shù)剪切模量最高,對于LY/SBS復(fù)合改性瀝青,當(dāng)LY型抗剝落劑摻量為0.4%時,LY/SBS復(fù)合改性瀝青復(fù)數(shù)剪切模量最高。這是因為LY型抗剝落劑中的飽和脂肪酸可以增強(qiáng)瀝青的高溫性能,多乙烯多胺可以增強(qiáng)瀝青的黏附性,當(dāng)LY的含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))在0.4%～0.6%的范圍內(nèi),瀝青中的飽和脂肪酸過多,增大了瀝青中飽和分的含量,從而降低了瀝青的稠度。對比BWH551和LY型抗剝落劑,SBS改性瀝青的復(fù)數(shù)剪切模量對LY型抗剝落劑摻量變化更為敏感。

2)車轍因子。車轍因子是復(fù)數(shù)剪切模量與相位角δ正弦的比值,即G*/sinδ,其反映了瀝青抗永久變形性能,車轍因子越大高溫性越好。抗剝落劑對SBS改性瀝青車轍因子的影響如圖3所示,隨著抗剝落劑摻量的增大,車轍因子和復(fù)數(shù)剪切模量表現(xiàn)出相同的變化規(guī)律,即隨著抗剝落劑摻量的增加先增大后減小。針對BWH551/SBS復(fù)合改性瀝青,當(dāng)BWH551型抗剝落劑摻量為0.2%時,復(fù)合改性瀝青的車轍因子最大,較SBS改性瀝青,52 ℃～82 ℃試驗條件下,車轍因子分別提升了17.5%,23.6%,15.2%,7.4%,12.5%和3.5%。而針對LY/SBS復(fù)合改性瀝青,摻加0.4%的LY型抗剝落劑使得復(fù)合改性瀝青的車轍因子最大,較SBS改性瀝青,52 ℃～82 ℃試驗條件下,車轍因子分別提升了58.7%,56.7%,52.1%,51.8%,75%和32.7%。在相同抗剝落劑摻量條件下,LY型抗剝落劑對提升SBS改性瀝青的高溫性能更有利。這與LY型抗剝落劑中的飽和脂肪酸可以增強(qiáng)瀝青的高溫性能,多乙烯多胺可以增強(qiáng)瀝青的黏附性有關(guān)。

2.3 低溫流變性能

通過瀝青彎曲蠕變勁度試驗測得復(fù)合改性瀝青的勁度模量(S)和蠕變速率(m)以評價復(fù)合改性瀝青的低溫抗裂性能。一般來說,具有較低的勁度模量和較高的蠕變速率的瀝青具有較好的低溫性能。

1)勁度模量。如圖4所示是抗剝落劑對SBS改性瀝青勁度模量的影響,從圖4可以明顯地發(fā)現(xiàn),S值隨溫度的下降逐漸增大,表明復(fù)合改性SBS瀝青的脆性和硬度增大,隨著抗剝落劑摻量的增加S值逐漸升高,表明在低溫狀態(tài)下讓瀝青發(fā)生蠕變需要更大的力。隨著BWH551型抗剝落劑摻量的增加,BWH551/SBS復(fù)合改性瀝青的勁度模量逐漸增加,而隨著LY型抗剝落劑摻量的增加,LY/SBS復(fù)合改性瀝青的勁度模量逐漸降低,LY型抗剝落劑可以優(yōu)化SBS瀝青的低溫性能。

2)蠕變速率。由圖5可知,復(fù)合改性瀝青的蠕變速率隨溫度的降低逐漸下降,表明隨著溫度的降低復(fù)合改性瀝青的低溫松弛特性變差。BWH551/SBS復(fù)合改性瀝青的蠕變速率隨BWH551型抗剝落劑摻量的增加,蠕變速率先升高后降低,并且在摻量為0.2%時,m達(dá)到最大值。這是因為當(dāng)BWH551的含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))在0%～0.2%的范圍內(nèi),隨著抗剝落劑的加入瀝青中的輕質(zhì)組分增大,從而增大瀝青的流動性,使延展性增大。LY/SBS復(fù)合改性瀝青的蠕變速率則隨LY型抗剝落劑摻量的增加逐漸增加,低溫性能越來越好。結(jié)合溫度掃描試驗結(jié)果,最終確定0.2%為BWH551型抗剝落劑的最佳摻量,0.4%為LY型抗剝落劑最佳摻量。

2.4 黏附性分析

1)抗剝落劑對接觸角的影響。選取0.2%BWH551/SBS復(fù)合改性瀝青和0.4%LY/SBS復(fù)合改性瀝青作為接觸角試驗的研究對象,其結(jié)果如表3所示,BWH551和LY型抗剝落劑改性后的SBS改性瀝青與試劑的接觸角均有所降低,三種瀝青接觸角大小排序為:SBS改性瀝青>LY/SBS復(fù)合改性瀝青>BWH551/SBS復(fù)合改性瀝青。其原因主要是:BWH551型抗剝落劑為表面活性劑型抗剝落劑,與瀝青充分混合后,一定程度上增大了SBS改性瀝青的親水性。LY型抗剝落劑中含有飽和脂肪酸和多乙烯多胺,多乙烯多胺的主要作用為吸附作用,當(dāng)加入SBS改性瀝青后,在很大程度上會增大SBS改性瀝青的吸附能力。

表3 接觸角測試結(jié)果

2)抗剝落劑對表面自由能的影響。根據(jù)接觸角的測試結(jié)果,求得每種瀝青的色散分量、極性分量和表面自由能,計算結(jié)果如表4所示。

表4 表面能及分量測試結(jié)果 ergs/cm2

由表4可知,BWH551和LY型抗剝落劑改性后SBS瀝青的表面自由能明顯增大,是因為這兩種抗剝落劑當(dāng)中均含有一種能夠提高瀝青吸附能力的成分,BWH551中含有一種能夠增大瀝青表面張力的溫拌劑成分,LY型抗剝落劑中含有多乙烯多胺,能夠有效提高瀝青的吸附能力。且通過試驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)抗剝落劑摻加到瀝青中后,瀝青的吸附能力明顯增強(qiáng),瀝青的表面自由能也明顯增大,BWH551型抗剝落劑對提升SBS改性瀝青的黏附性更有利。

3 經(jīng)濟(jì)性分析

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,道路上的各種問題日漸突出,特別是公路上的超載、超限問題日益加劇,同時瀝青路面不可避免地出現(xiàn)了因材料原因造成的路面早期損害,降低了道路的使用壽命,同時增加了路面后期養(yǎng)護(hù)和維護(hù)的費用,這無形中加大了工程運(yùn)營成本。如何開發(fā)能夠同時兼顧“耐久”“環(huán)保”和“經(jīng)濟(jì)”的道路材料已成為當(dāng)前公路建設(shè)研究的熱點問題。

本文使用的各種改性劑價格及一公里高速公路改性劑使用量及費用如表5所示。通過表5的數(shù)據(jù)可知,一公里六車道高速公路所需BWH551和LY型抗剝落劑費用分別為0.48萬元和0.8萬元,從經(jīng)濟(jì)的角度首選應(yīng)為BWH551型抗剝落劑。同時,綜合復(fù)合改性瀝青的高低溫性能和黏附性,BWH551型抗剝落劑是最佳的選擇。

表5 改性劑單價及費用

4 結(jié)論

本研究制備了BWH551/SBS復(fù)合改性瀝青和LY/SBS復(fù)合改性瀝青,對復(fù)合改性瀝青的常規(guī)物理性能、高低溫流變特性和黏附性進(jìn)行了分析,主要結(jié)論如下:

1)隨著抗剝落劑含量的增加復(fù)合改性瀝青的針入度逐漸增加,軟化點先增大后減小,BWH551/SBS復(fù)合改性瀝青的延度隨抗剝落劑摻量的增加先增加后降低,而LY/SBS復(fù)合改性瀝青的延度隨抗剝落劑的加入逐漸增大。

2)隨著BWH551型抗剝落劑摻量的增大,BWH551/SBS復(fù)合改性瀝青的高低溫性呈現(xiàn)出先增強(qiáng)后減弱的趨勢,當(dāng)LY型抗剝落劑摻量小于0.4%時,其對SBS改性瀝青的高溫性能有積極作用,且隨著LY型抗剝落劑摻量的增大,復(fù)合改性瀝青的低溫性能持續(xù)增強(qiáng),推薦BWH551和LY型抗剝落劑摻量分別為0.2%和0.4%。

3)BWH551和LY型抗剝落劑摻加到瀝青中后,瀝青的吸附能力及抗水損害能力明顯增強(qiáng),BWH551型表面活性抗剝落劑對SBS改性瀝青抗水損害能力的提升幅度明顯高于LY型抗剝落劑。